Mechanizmy obronne bakterii pomagają w ulepszeniu medycyny spersonalizowanej
Wszystkie organizmy żywe mają układ odpornościowy, przy pomocy którego bronią się przed nieustannymi atakami wirusów. Bakterie przeznaczają część swojego genomu na przechowywanie fragmentów DNA wirusów, tworząc rejestr patogenów, które mogą je potencjalnie zaatakować. Kiedy wirus wprowadza swoje DNA do komórki bakteryjnej, układ odpornościowy rozpoznaje to DNA i niszczy je. Ten system obronny nosi nazwę CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). W toku ewolucji u wirusów wykształciło się kilka mechanizmów przeciwdziałających temu systemowi. Niektóre z nich dokonują ekspresji białek anty-CRISPR, które mogą blokować funkcje białek CRISPR, inne z kolei przejmują kontrolę nad białkami CRISPR gospodarza i wykorzystują je do własnych celów. Odkrycie CRISPR doprowadziło do poszerzenia wiedzy naukowej z zakresu genetyki i biochemii, czego efektem było powstanie Cas9, rewolucyjnego narzędzia inżynierii genetycznej. Mechanizm adaptacji CRISPR wciąż nie jest jednak w pełni poznany. Projekt Anti-CRISPR, realizowany przy wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie” i prowadzony przez Wydział Bionanonauki Uniwersytetu Technicznego w Delfcie, miał na celu dokładne zbadanie, w jaki sposób bakterie tworzą te „rejestry” wirusów. Odkrycia dokonane przez naukowców mogłyby pomóc w opracowaniu technik rejestrowania DNA. „Ten wyścig zbrojeń między systemami CRISPR bakterii a genami anty-CRISPR wirusów stanowi przykład ewolucji w działaniu. Możliwość rejestrowania tego procesu mogłaby doprowadzić do powstania bardziej ukierunkowanych metod leczenia, także infekcji takich jak COVID-19 i grypa”, wyjaśnia Sungchul Kim, główny badacz odpowiedzialny za realizację projektu. Prace zostały już opisane na łamach czasopisma „Nature”.
Obserwowanie wyścigu zbrojeń gospodarza i wirusa
Proces molekularny związany z odpornością adaptacyjną CRISPR składa się z trzech głównych etapów. Pierwszy z nich to adaptacja, znana jako akwizycja sekwencji rozdzielających, w której bakterie przechowują informacje wirusowe w matrycy CRISPR, stanowiącej swego rodzaju rejestr. Drugi i trzeci etap to ekspresja i interferencja, które wytwarzają białka CRISPR-Cas w celu zniszczenia wirusa. Zespół w pierwszej kolejności zbadał, w jaki sposób współpracujące ze sobą białka CRISPR, Cas1-Cas2, dobierają odpowiednie wirusowe fragmenty DNA, tzw. pre-sekwencje rozdzielające, w celu rozróżnienia między własnym a innymi organizmami. Następnie zbadał, w jaki sposób pre-sekwencje rozdzielające są przycinane do dokładnych długości, które mają być włączone do matrycy CRISPR. Interakcje pomiędzy białkami Cas1-Cas2 a fragmentami wirusowego DNA zostały zwizualizowane za pomocą techniki obrazowania w czasie rzeczywistym – fluorescencji jednocząsteczkowej w rozdzielczości w skali nano. Zespół ustalił, że koniec C Cas1-Cas2 ma kluczowe znaczenie dla odróżniania innych organizmów. Odkrył również, że polimeraza DNA III jest enzymem odpowiedzialnym za przycinanie pre-sekwencji rozdzielających. Enzym ten odgrywa też pewną rolę w usuwaniu błędów podczas replikacji DNA. „Nie spodziewaliśmy się, że enzym syntetyzujący DNA będzie zaangażowany w procesy obronne. Oznacza to, że wiele systemów biologicznych wyewoluowało pod kątem więcej niż jednego procesu”, mówi Kim. Zespół ustalił też, że wiązanie końca Cas1-Cas2 C z sygnaturą DNA wirusa, znaną jako motyw sąsiadujący z protosekwencją rozdzielającą, pozwala bakteriom na przechowywanie fragmentów wirusowego DNA w ich rejestrze CRISPR. „Jego bieżące aktualizowanie ma kluczowe znaczenie dla walki z wirusami, których DNA zmutowało w celu ominięcia mechanizmów odpornościowych”, dodaje Kim.
Urządzenia do rejestrowania DNA
Wiedza uzyskana w projekcie przyda się przy opracowywaniu nowych, opartych na CRISPR technik rejestracji DNA żywych komórek. „Systemy czasowej rejestracji DNA w komórkach ssaków, w tym ludzkich, okazują się nieskuteczne. Nasze odkrycia pomagają określić, jak zaprojektować sekwencje i architektury DNA, aby zbudować system, w którym informacje o procesach komórkowych mogą być automatycznie przechowywane w DNA tej komórki”, wyjaśnia Chirlmin Joo, kierownik badania. Ponieważ białka Cas1 i Cas2 przechowują informacje w porządku chronologicznym, możliwe jest odtworzenie mechanizmów chorób lub infekcji. Na przykład, na podstawie komórek nabłonka układu oddechowego lekarz mógłby sprawdzić w „rejestrze biologicznym” komórek, jak rozwijała się tkanka zakażona na przykład COVID-19 lub grypą, a następnie wykorzystać te dane diagnostyczne do stworzenia indywidualnych planów leczenia.
Słowa kluczowe
Anti-CRISPR, genom, wirus, bakterie, białko, Cas9, Cas1, Cas2, DNA, odpornościowy, medycyna spersonalizowana, COVID-19, grypa, zakażenie
